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Projet moteur Stirling

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Le moteur Stirling, quelles utilités ?

Le moteur Stirling permet d’obtenir de l’énergie mécanique à partir de la récupération de chaleur. De ce fait, il est très utile car il permet d’obtenir un travail à partir d’énergie abondante comme celle du soleil. Ce type de moteur est utilisé dans plein de domaines différents comme par exemple :

–     Le domaine militaire : le sous-marin suédois est équipé d’un moteur Stirling pour sa production en électricité.

–     Des applications solaires : un moteur Stirling est combiné à une parabole solaire réfléchissante pour produire de l’électricité.

–     Le domaine spatial : certains satellites de la NASA se procurent de l’énergie grâce à un moteur Stirling.

LE PROJET

L’objectif de notre projet est de concevoir et de réaliser une maquette fonctionnelle d’un moteur Stirling. Mais avant d’expliquer les moyens que nous avons mis en œuvre pour accomplir notre objectif, il faut comprendre comment fonctionne concrètement un moteur Stirling.

Le fonctionnement

La base d’un moteur Stirling est la thermodynamique : son fonctionnement est basé sur un échange d’air entre 2 parties, que nous nommerons A et B. Chacune de ses deux parties se doit d’être étanche. De plus, elles peuvent communiquer ensemble. Chaque partie contient un piston, relié grâce à une bielle à une roue. Les deux roues A et B sont reliées entre elles pour transmettre le même mouvement. Le piston A (appelé “déplaceur”) n’est pas étanche, contrairement au piston de la partie B.

Photo vue du dessus de notre modélisation

Tout d’abord, nous réchauffons le tube en verre de la partie A. Cela aura pour effet d’augmenter la pression dans le tube, et donc de repousser le déplaceur. En appliquant une rotation de la roue A, l’air chaud de cette partie sera comprimé, et donc envoyé dans la partie B. Ce changement de température va repousser le piston B, et grâce à son inertie, le piston va comprimer à nouveau cet air, qui retournera dans la partie A.

Ce transfert d’air entre les parties va créer une rotation au niveau des roues. Ce mouvement mécanique peut être récupéré et transformé par exemple en électricité par un alternateur.

Tant qu’il y a une différence de température conséquente entre la partie A (chaude) et la partie B (froide), le moteur Stirling fonctionnera sans intervention sur une quelconque roue (à part pour lancer le mouvement au départ).

Le grand avantage de ce moteur réside également dans le fait qu’il peut être réversible : à partir d’un mouvement mécanique, il peut nous permettre de produire de la chaleur.

Un défi

Nous avons également relevé le défi de faire un projet technique complexe, de part ses concepts thermodynamique et mécanique, avec quand c’est possible, des objets de récupérations, en ne s’autorisant que l’impression 3D et l’achat de matière première pour rester dans un budget restreint.

Un moteur Stirling étant effectivement un objet complexe, il a fallu commencer par une longue étape de réflexion concernant notre choix sur la modélisation à adopter mais également sur les matériaux à utiliser.

En effet, il existe plusieurs types de moteur Stirling, et certains sont plus faciles à concevoir mais beaucoup plus difficiles à réaliser. De plus, les matériaux sont non seulement soumis à une source de chaleur et à des forces de frottements continues mais ils devront également résister à toutes les méthodes d’usinage pour assembler les pièces entre elles. Tout cela, en utilisant au maximum des pièces de récupération.

Par exemple, nous avons dans un premier temps essayé de faire un moteur Stirling bêta, qui n’est pas sorti de l’étape de la modélisation car il était trop difficile à réaliser. Nous avons donc opté pour un moteur Stirling gamma. Pour les matériaux, nous avons choisi de l’aluminium pour les bielles, du bois pour les pistons, du verre pour le tube et du PLA pour les supports.

Après avoir fait ces choix et fait la modélisation CAO sur SolidWorks de chacune des parties du moteur, nous les avons assemblées et avons réfléchi aux méthodes d’usinage à utiliser pour les assembler réellement. A ce moment également, nous nous sommes rendu compte que certains matériaux n’étaient pas une option considérant notre expérience dans le domaine et les outils à notre disposition (comme par exemple l’acier ou le verre).

La construction

Nous avons donc commencé à créer notre deuxième modélisation. La première étape, la plus complexe, était sans aucun doute la création des pistons. En effet, il fallait pour cela couper des planches de bois de sapins, pour ensuite les passer à la fraiseuse pour faire la tête des pistons. 

Piston n’ayant pas résisté à l’usinage (trop petit)
Deuxième version des pistons

Par la suite, il a fallu pour faire les bielles couper un tube d’aluminium, aplanir une extrémité, percer des deux côtés et enfin assembler à l’aide d’un axe la partie aplanie du tube avec la tête du piston. La deuxième étape fut d’assembler chacune des parties, en attachant les supports de chaque tube à une planche de bois, fixer nos roues ensembles qui elles-mêmes sont liées aux pistons. Ces mêmes pistons doivent être en capacité de coulisser aux travers des tubes en verre et en PLA. C’est donc un mécanisme complexe qui demande beaucoup de précision. Ainsi commence la troisième étape de la construction : l’optimisation. En effet, avec toutes ses liaisons, de nombreux frottements sont apparus, empêchant la rotation de s’effectuer normalement. Nous sommes donc passé par une nouvelle étape de réflexion afin de trouver des éléments permettant de stabiliser les roues afin de réduire les déplacements inutiles. Une idée par exemple a été de rajouter des entretoises, ou encore de changer les attaches bielle-roue permettant une meilleure rotation et aussi d’empêcher les pistons de se désaxer.

Conclusion

Nous voyons plusieurs axes d’améliorations : ajout d’un circuit de refroidissement, de roulements à billes, de ressorts pour augmenter le travail du piston, ou encore diminuer la taille de l’échangeur d’air (la pièce qui relie la partie A et la partie B).

Malheureusement, malgré nos efforts, notre moteur Stirling n’est pas fonctionnel. Cependant, il est important de noter que la partie mécanique marche très bien, seule la partie thermodynamique pose problème. Il pourrait donc être intéressant de reprendre notre travail afin d’approfondir nos connaissances liées au moteur Stirling pour comprendre son aspect thermodynamique. Cela pourrait également être une bonne base si l’on veut essayer d’améliorer le travail du moteur, car nous pensons être proche d’un résultat positif.

Vidéo de la partie mécanique du moteur

Romain Bourlier, Kerwan Dupéron et Aymeric Cosson

Réalisation d’un moteur brushless

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Nous sommes 3 élèves, Ronan GOMOND, Vivien JOLY et Mathis LEGARDINIER, en deuxième et dernière année du cycle préparatoire de Polytech Angers. Dans le cadre de la fin de notre deuxième année nous avons réalisé un projet d’une durée totale de 80H et qui avait pour but la réalisation d’un moteur brushless.

Le moteur brushless est un moteur électrique, pour comprendre le terme de brushless il nous faut regarder le fonctionnement d’un moteur à courant continu classique :

C’est le même principe pour n’importe quel moteur électrique. Une bobine traversée par un courant va créer un flux magnétique et si on inverse le sens du courant alors le flux sera inversé. Ainsi on peut attirer un aimant (par définition sensible aux champs magnétiques) et ensuite le repousser si on inverse le sens du courant dans la bobine. Les moteurs se différencient sur leur manière d’inverser le courant dans les bobines. Le moteur à courant continu utilise des balais qui par contact avec le rotor va inverser le sens du courant en fonction de la position du rotor :

Image issue de la page Wikipédia allemande du moteur à courant continu

Fonctionnement d’un moteur à courant continu

image tirée de la page Wikipédia allemande du moteur à courant continu, les balais sont représentés en orange.

Le moteur brushless, lui, n’a pas de balais cela lui permet d’être silencieux et d’avoir moins de frottements. En réalité l’inversion du courant est faite par électronique.

Notre premier moteur était constitué de 3 bobines (cuivre émaillé) au stator et 2 aimants permanents (néodyme-fer) au rotor. Il a été réalisé à l’imprimante 3D de l’atelier de l’école.
La programmation s’est faite en Arduino et était simplement l’inversion du sens du courant dans des bobines précises et à des instants précis.

Banchement

Carte Arduino pour le fonctionnement du moteur avec le shield d’alimentation des bobines Adafruit Motorshield v2.3

Le programme peut se résumer au chronogramme suivant :

T5

Ici on a 12 étapes pour une rotation complète du rotor, BX représente la bobine n°X
– L’action verte est “allumer la bobine dans un sens”
– L’action rouge est “allumer la bobine dans le sens opposé du vert”
– L’action grise est “éteindre la bobine”

On remarque que le chronogramme est le même pour chaque bobine mais décalé d’un tiers de rotation, ce qui est l’angle entre chaque bobine.

Nous avons eu le résultat suivant :

Rotation à 100 tour/min

Moyennement satisfaits nous avons réalisé une deuxième version en doublant les proportions, à savoir 6 bobines et 4 aimants. Tout en utilisant une imprimante 3D nous avons obtenu le moteur suivant, avec le même programme et le même chronogramme au seul détail qu’il représente qu’une demi-rotation. En multipliant les bobines/aimants par deux on a besoin de multiplier également par deux la durée du chronogramme. Les bobines étaient en série deux à deux, donc on avait bien 3 bobines d’un point de vue électrique.

Rotation à 500 tour/min

Ce deuxième résultat est bien plus satisfaisant. Néanmoins le fait d’utiliser du plastique pour le corps ne permet pas d’atteindre de grosses puissances car les bobines chauffent très vite avec l’effet Joule. Nous avons également pu identifier des pertes magnétiques, par exemple en mettant un noyau en fer dans la bobine nous aurions pu avoir un champ un peu plus fort.

Ce travail nous a permis d’utiliser nos connaissances en électromagnétisme, électricité et électronique. Nous avons également beaucoup appris sur les moteurs électriques.
L’autonomie qui nous a été donnée nous a stimulé sur l’impression que ce projet était vraiment le notre et que c’était à nous de le mener à bien.

Nous tenons à remercier Polytech Angers et plus particulièrement Monsieur AUTRIQUE, Madame GÉRARD, Monsieur MERCIER pour nous avoir aidé et avoir répondu à nos questions.

Merci à vous également pour avoir lu ce résumé !

Projet : Suiveur solaire

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Bonjour et bienvenue à tous !

Dans le cadre des projets de deuxième année, nous avons été amené à concevoir un suiveur solaire. Ce projet avait été commencé l’année précédente par d’autres élèves (lien vers leur article). Nous l’avons donc poursuivi.

  • A quoi ça sert?
    Le but de ce projet était de créer un support pour panneau photovoltaïque qui fonctionne comme un tournesol en suivant le soleil. La position du soleil évolue au cours de la journée et selon les saisons, or, pour avoir un rendement maximal il faut que les rayons du soleil soient perpendiculaires au panneau. Le suiveur solaire est donc un bon moyen pour optimiser la production d’électricité.

  • Conception du bâti
    Pour commencer, nous avons construit le bâti du panneau solaire en bois. L’idéal aurait été de pouvoir faire varier l’inclinaison du panneau selon les saisons. Cependant, nous avons fait le choix de le fixer à 30°, ce choix nous a permis de simplifier la création du support. Le bâti est monté sur roulettes afin de lui permettre de se déplacer pour suivre le soleil au cours de la journée.

    Notre suiveur solaire

    Notre suiveur solaire

  • Programmation de la commande du moteur

    Ensuite, nous avons procédé à la conception de la partie électronique du système à partir d’un moteur d’essuie-glace, fourni par notre tuteur.
    Tout d’abord, nous avons programmé une carte arduino avec une carte monster shield, qui permettent de faire tourner le moteur inverseur, dans un sens et dans l’autre.

      Pour la suite, nous avions besoin de capteurs pour orienter le panneau face au soleil. Après avoir récupéré trois cellules photovoltaïques que l’on a placé en pyramide, nous avons imprimé puis étamer une carte permettant de récupérer l’information de ces capteurs. La carte a été imprimée avec la machine de LPKF Laser&electronics à l’ISTIA et elle a été étamée chimiquement à l’IUT.

      Les 3 cartes De gauche à droite : carte imprimée, arduino, monster shield

      Les 3 cartes
      De gauche à droite : carte imprimée, arduino, monster shield


      Après avoir fait cela, il ne restait plus qu’à souder ces différents composants, à la plugger sur les 2 autres cartes, puis finalement réaliser le montage suivant avec les capteurs et le moteur.
      Montage électronique

      Montage électronique

    • Comment fonctionne le suiveur?
      Pour résumer, les capteurs renvoient une tension aux cartes, et selon la valeur reçue, le programme commande la rotation du moteur (dans un sens ou un autre).

      Ce projet nous a beaucoup appris, malheureusement nous n’avons pas eu le temps d’installer le système électronique ainsi que le moteur sur le bâti.
      Nous souhaitons remercier notre tuteur Hassan Bouljroufi qui nous a été d’une grande aide, ainsi que François Jouet et Benoît Landry qui nous ont aidé dans la réalisation du bâti.

      Camille Bertrand et Anne-Céline Riou